脑外科手术机器人的机构分析与研究

　　医用手术机器人的研究、开发和应用,已成为国内外机器人技术应用发展的一个重要方向.脑外科手术机器人是一种在CT等三维医学图象导引下,根据大脑病灶的所在部位,由计算机控制,能自动合理地选定下刀位置,协助医生进行脑外科手术的机器人.它不但下刀位置准确、手术创面小、时间短,而且通过计算机网络通讯,医生可在千里之外遥控手术机器人,替病人施行手术.因此,开发研制脑外科手术机器人,对提高我国医疗手术水平具有十分重大的意义.脑外科手术机器人构成见图1.其机构的指端运动轨迹为一包络病人头部的空间球面.在此遵循机构学原理,对图2所示的一种脑外科手术机器人的机构模型进行分析,并分析了影响其定位误差的各个因素,特别是机构各个构件杆长误差和转动副间隙对球面切向定位误差的不同影响,为脑外科手术机器人的设计与研制提供理论依据.

　　1　脑外科手术机器人的机构分析

　　1.1　空间球面轨迹的实现

　　脑外科手术机器人指端的运动轨迹要求为一包络病人头部的空间球面轨迹,实现该轨迹的一种技术方案,可以由一圆弧绕一轴线旋转而得.而实现圆弧轨迹的机构为一平面连杆机构,如图3所示.当机构EDBQ中的主动杆b绕E点旋转,将带动机构上Q点移动,Q点轨迹在平面上为一圆弧,使该机构再绕x轴旋转,此时Q点轨迹便能展现为一个空间球面.

　　1.2　机构分析

　　图3所示的平面连杆机构,其中BAPC成为一个平行四边形机构,b杆为主动杆.由图中所示的几何关系[1],得

　　式中

　　该方程类似于一个圆方程,因α为变量,圆心O点不定.若e/d2=c1/a,即e/d2=c1/a,此时Q点的轨迹方程为 公

　　不难看出,此方程为一个圆的方程式,其圆心O点落在x轴线上,坐标为[(d2+e)(f/d1),0];半径为RQ=QO=[(d2+e)(b/d1)].此外,由于e/d2=c1/a,机构的D、P、Q3点恰好处于一直线上.

　　由上可见,由于Q点的圆弧轨迹的圆心O处于DE的延长线上.这样,在机器人的实际结构设计中,可让该圆心与病人头盔的定位中心相重合,从而使CT等三维图象的坐标基准与手术机器人的坐标基准重合于一点,避免了复杂的坐标转换计算及由此带来的误差.机构的轨迹圆心如此布置正是该脑手术机器人机构设计中的一大特点,它巧妙地适应了脑外科手术的设计要求.

　　其次,脑外科手术机器人的有效作业区域仅为球面的一部分,因此,虽然图3所示的平面机构,Q点的理论轨迹为一个完整的圆,而实际上只需一段圆弧(该圆弧相对的中心角约为80°左右).据此,应合理地安排手术机器人与病人的相对位置,使该工作区域能覆盖病人脑部可能的手术位置.如图2那样,使机构的底线DE与病床的水平面成一定的角度(30°).这也是该脑手术机器人机构设计中的又一个特点.它模拟了脑外科手术医生的作业位置,而又不妨碍手术医生的监视和操作.